Các nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý Hạt nhân Max Planck đã đo thành công sự thay đổi vô cùng nhỏ trong khối lượng của từng nguyên tử sau bước nhảy lượng tử của các electron bên trong bằng cách sử dụng cân nguyên tử Pentatrap cực kỳ chính xác tại Viện ở Heidelberg.
Trong cơ học cổ điển, 'khối lượng' là một tính chất vật lý quan trọng của bất kỳ vật nào không thay đổi – trọng lượng thay đổi tùy thuộc vào 'gia tốc do trọng lực' nhưng khối lượng vẫn không đổi. Tuy nhiên, khái niệm về sự không đổi của khối lượng là tiền đề cơ bản trong cơ học Newton, nhưng trong thế giới lượng tử thì không như vậy.
Thuyết tương đối của Einstein đưa ra khái niệm về sự tương đương khối lượng-năng lượng, về cơ bản ngụ ý rằng khối lượng của một vật không nhất thiết phải luôn luôn không đổi; nó có thể được chuyển đổi thành (một lượng tương đương) năng lượng và ngược lại. Mối quan hệ qua lại hoặc khả năng thay thế lẫn nhau của khối lượng và năng lượng vào nhau là một trong những tư duy trung tâm trong khoa học và được đưa ra bởi phương trình nổi tiếng E=mc2 là đạo hàm của thuyết tương đối hẹp của Einstein trong đó E là năng lượng, m là khối lượng và c là tốc độ ánh sáng trong chân không.
Phương trình này E = mc2 được chơi phổ biến ở mọi nơi nhưng được quan sát thấy đáng kể, chẳng hạn như ở nguyên tử lò phản ứng nơi mà sự mất đi một phần khối lượng trong quá trình phản ứng phân hạch hạt nhân và phản ứng tổng hợp hạt nhân tạo ra một lượng năng lượng lớn.
Trong thế giới hạ nguyên tử, khi một electron nhảy 'đến' hoặc 'từ' một quỹ đạo sang mức khác, một lượng năng lượng tương đương với 'khoảng cách mức năng lượng' giữa hai mức lượng tử được hấp thụ hoặc giải phóng. Do đó, theo công thức tương đương khối lượng-năng lượng, khối lượng của một nguyên tử nên tăng khi nó hấp thụ năng lượng và ngược lại, nên giảm khi nó giải phóng năng lượng. Nhưng sự thay đổi về khối lượng của một nguyên tử sau sự chuyển đổi lượng tử của các electron trong nguyên tử, sẽ là cực kỳ nhỏ để đo lường; điều mà cho đến nay vẫn chưa thể thực hiện được. Nhưng không còn nữa!
Các nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý Hạt nhân Max Planck đã lần đầu tiên đo thành công sự thay đổi cực kỳ nhỏ trong khối lượng của các nguyên tử riêng lẻ, có thể là điểm cao nhất trong vật lý chính xác.
Để đạt được điều này, các nhà nghiên cứu tại Viện Max Planck đã sử dụng cân nguyên tử Pentatrap siêu chính xác tại Viện ở Heidelberg. PENTATRAP là viết tắt của 'khối phổ kế bẫy Penning có độ chính xác cao', một loại cân có thể đo những thay đổi vô cùng nhỏ trong khối lượng của một nguyên tử sau bước nhảy lượng tử của các electron bên trong.
Do đó PENTATRAP phát hiện các trạng thái điện tử có thể di chuyển trong nguyên tử.
Báo cáo mô tả việc quan sát trạng thái điện tử siêu bền bằng cách đo sự chênh lệch khối lượng giữa trạng thái mặt đất và trạng thái kích thích trong Rhenium.
***
Tài liệu tham khảo:
1. Max-Planck-Gesellschaft 2020. Newsroom - Pentatrap đo lường sự khác biệt về khối lượng giữa các trạng thái lượng tử. Đăng ngày 07 tháng 07 năm 2020. Có sẵn trực tuyến tại https://www.mpg.de/14793234/pentatrap-quantum-state-mass?c=2249 Truy cập ngày 07 tháng 2020 năm XNUMX.
2. Schüssler, RX, Bekker, H., Braß, M. và cộng sự. Phát hiện trạng thái điện tử di căn bằng phương pháp khối phổ bẫy Penning. Nature 581, 42–46 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2221-0
3. JabberWok at English Q52, 2007. Mô hình nguyên tử Bohr. [hình ảnh trực tuyến] Có sẵn tại https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bohr_atom_model.svg Truy cập 08 Có thể 2020.
***
